Flash存储器的技术和发展

1湘潭大学论文题目：关于Flash存储器的技术和发展学院：材料与光电物理学院专业：微电子学学号：2010700518姓名：李翼缚完成日期：2014.2.242目录1引言..................................................................................................................................42Flash存储器的基本工作原理...........................................................................................43Flash存储器的编程机制.......................................................................................................53.1沟道热电子注入(CHE).................................................................................................53.2F-N隧穿效应(F-NTunneling)......................................................................................64Flash存储器的单元结构.......................................................................................................65Flash存储器的可靠性...........................................................................................................75.1CHE编程条件下的可靠性机制..................................................................................85.2隧道氧化层高场应力下的可靠性机制.......................................................................86Flash存储器的发展现状和未来趋势...................................................................................9参考文献:......................................................................................................................103关于Flash存储器的技术和发展摘要:Flash存储器是在20世纪80年代末逐渐发展起来的一种新型半导体不挥发性存储器,它具有结构简单、高密度、低成本、高可靠性和在系统的电可擦除性等优点,是当今半导体存储器市场中发展最为迅速的一种存储器。文章对Flash存储器的发展历史和工作机理、单元结构与阵列结构、可靠性、世界发展的现状和未来趋势等进行了深入的探讨。关键词:半导体存储器;不挥发性存储器;Flash存储器;ETOX结构AboutFlashMemoryTechnologyandItsDevelopmentAbstract:Asanewnon-volatilesemiconductormemoryintroducedbyMasuokain1984,flashmemoryhasanumberofadvantages,suchassimplestructure,highintegrationdensity,lowcost,andhighreliability,anditiswidelyusedinmobilephone,digitalcamera,PCBIOS,DVDplayer,andsoon.Itsevolution,programmingmechanism,cellstructure,arraystructure,reliabilityaredescribed,anditsdevelopingtrendinthefutureisdiscussed.Keywords:Semiconductormemory;Flashmemory;Non-volatilememory;ETOX41引言随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,我们正迈向一个信息社会。信息社会离不开信息的存贮。近半个世纪以来,人们不断地探索存贮新技术,形成了品种繁多的存储器家族,其中的半导体不挥发性存储器(Non-VolatileSemiconductorMemory)因其具有掉电仍能保持信息的特点而成为存储器家族的热门领域。不挥发性存储器的发展经历了从ROM、PROM、EEPROM到Flash存储器的各个阶段。Flash存储器是在20世纪80年代末逐渐发展起来的一种新型不挥发性半导体存储器,它结合了以往EPROM结构简单、密度高和EEPROM在系统的电可擦除性的一些优点,实现了高密度、低成本和高可靠性。Flash存储器和传统存储器的最大区别在于它是按块(sector)擦除,按位编程,从而实现了快闪擦除的高速度。另外,块擦除还使单管单元的实现成为可能,从而解决了器件尺寸缩小和高集成度的问题。Flash存储器以其优越的性能,成为半导体存储器市场中发展最为迅速的一种,它广泛应用于PCBIOS、数字蜂窝电话、汽车领域和微控制器等许多领域,并为目前较大容量磁介质存贮媒体提供了一种理想的替代产品[1]。工艺技术的进步和Flash技术的不断成熟使Flash存储器集成度迅速提高,目前已经达到1Gbit。同时,其价格也随之不断下降,并能与DRAM相比拟。未来,Flash存储器的发展主要集中在高集成度、高可靠性和嵌入式应用上。随着集成度的进一步提高,发展更小尺寸的存储单元,小尺寸器件的可靠性问题以及外围高低压CMOS兼容工艺的开发将显得尤为重要。本文将介绍Flash存储器的发展历史和工作机理、单元结构与阵列结构、可靠性、世界发展的现状和未来趋势等。2Flash存储器的基本工作原理所谓的不挥发性存储器,是指在断电的情况下仍具有电荷的保持特性。目前主要有电荷俘获器件和浮栅器件两种。本文主要对浮栅器件进行论述。浮栅型不挥发性存储器起源于1967年D.Kah-ng等人提出的MIMIS(Metal-Insulator-Metal-Insulator-Silicon)结构。它在传统的MOSFET上增加了一个金属浮栅和一层超薄隧穿氧化层,并利用浮栅来存储电荷。1971年,Intel公司首次推出了商业化的浮栅器件FAMOS(Floating-gateAvalanch-inj-ectionMOS)[3]。它采用p型沟道的雪崩电子注入来实现编程。后来发展的EPROM采用沟道热电子注入,大大提高了编程的效率。但它必须经紫外线的照射来擦除浮栅中的电子,应用起来极为不便,且大大增加了封装的成本。为提高使用的便利性,出现了电可擦写EEPROM(ElectricalErasablePro-grammableROM)。EEPROM采用漏极上方的超薄氧化层的隧穿效应来实现擦写。但为防止擦除后浮栅中正电荷造成的短路,必须增加一个选择管,使单元面积无法减小。1984年,Masuoka等人首次提出Flash的概念[4],即通过按块(sector)擦除、按位写编程来实现了快闪擦除的高速度,并消除了EEPROM中必有的选择管。Flash存储器出现以后,以其高编程速度、高集成度和优越的性能迅速得到发展。1985年,Exel5公司提出源极擦除的叠栅式结构,大大缩小了单元面积;1988年,Intel公司提出经典的ETOX[5](ElectronTunnelingOxidedevice)结构,至今,大部分新的结构都是从它的基础上发展而来。Flash存储器主要由衬底、隧道氧化层、多晶浮栅(FG)、栅间绝缘层和多晶控制栅(CG)组成。E-TOX结构如图1所示。Flash存储器是通过向浮栅中注入或拉出电子来实现“写”或“擦”。由于浮栅中电子的变化,存贮单元的阈值电压也会随之而改变,如图2所示。向浮栅中注入电子时,阈值电压升高,定义为“1”;将浮栅中的电子拉出定义为“0”。3Flash存储器的编程机制Flash存储器的存贮单元结构不同,其采用的编程机制也不同。目前,用于写入电子的物理机制主要有F-N(Fowler-Nordheim)隧穿效应和沟道热电子注入CHE(ChannelHotElectronInjection)两种。其它的,如SSI及增强注入等,都是在其基础上发展而来的,其基本机理类似,一般称热电子注入方式的快闪存储器为FlashEPROM,而以隧穿效应方式注入的为FlashEEPROM。Flash存储器的擦除一般是通过F-N隧穿效应来实现的。3.1沟道热电子注入(CHE)CHE是Flash中常用的一种“写”操作方式。其原理是,当在漏和栅极上同时加高电压,沟道中的电子在VD建立的横向电场加速下获得很高的能量。这些热电子在漏结附近碰撞电离,产生高能电子,在栅极电场的吸引下,跃过3.2eV的氧化层电子势垒,形成热电子注入。CHE注入的电流可以用衬底电流模型来描述。Ig和Isub满足以下关系[6]:ln(Ig/Id)=C1+(Ub/Ui)ln(Isub/Id)式中,Ub(Eox)=3.2-B(Eox)1/2-T(Eox)2/3。由以上模型可知,CHE注入电流受横向和纵向两个电场综合作用,这两个电场对电子的作用是互相抑制的,不能实现最大注入条件的优化,除非同时提高VG和VD,但这对器件的可靠性和电荷泵电流都是极为不利的。在SSIFlash结构单元中的SSI(Source-SideInjection)注入方法[7]很好地解决了上述问题。它在Split-Gate结构的FG上,再加一个Programming控制栅(PG)。写操作时,选择栅6G控制在弱开启,PG为高压,在FG下形成强反型。强反型区域可看作漏的延伸,使注入点从漏结移到SG和FG之间,大大减小了有效沟道的长度,使横向峰值电场增加,提高了热电子注入效率。SSI注入的另一个优点是,通过SG和PG的电压控制分别优化横向、纵向电场,以实现最佳的工作条件。3.2F-N隧穿效应(F-NTunneling)由于空穴的有效质量和氧化层界面势垒均比电子要大,CHE方式不能用于FG中电子的擦除。目前,一般采用F-N隧道注入来实现Flash的擦除。当在栅极和衬底之间加一个电压时,在氧化层中会建立一个电场。一般情况下,由于SiO2和Si界面的电子势垒很高(3.2eV),电子很难越过势垒注入到多晶硅栅中。Fowler等人提出,当氧化层中电场达到10MV/cm,且氧化层厚度较小(0.01Lm以下)时,电子将发生直接隧穿效应,穿过氧化层中势垒注入到浮栅,隧穿电流满足如下公式[8]:J=A・E2inj・exp(-ECEinj)式中,J为隧穿电流密度,Einj为界面处电场,A为注入系数,Ec为氧化层界面势垒;当Einj=10MV/cm时,J≈107A/m2。隧穿电流密度J完全由界面处的注入电场Einj决定,与氧化层中平均电场关系不大。近年来出现了在多晶硅上生长Textured-Oxide,可以降低隧穿电压,即增强F-N注入。以上两种注入方式的特点有很大不同。沟道热电子注入模式工作电压较低,外围高压工艺的要求也较低,但它的编程电流很大,有较大的功耗,不利于应用在便携式电脑等有低功耗要求的产品上;隧穿注入模式的功耗小